2017 - S-SI - Concours générale

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CONCOURS GÉNÉRAL DES LYCÉES Session 2017 Sciences de Durée, 5 l’ingénieur heures Aucun document autorisé. Le matériel autorisé comprend toutes les calculatrices grammables alphanumériques ou à écran graphique, autonome et qu’il ne soit pas fait usage d’imprimante, 16 novembre 1999. Concours Général de poche, y compris les calculatrices proà condition que leur fonctionnement soit conformément à la circulaire n°99-186 du POLAR POD Station océanographique internationale « Audelà du désir d’aventure, toutes les expéditions que j’ai organisées ont été construites sur les mêmes bases : une interrogation scientifique, un défi technologique et une volonté pédagogique, le désir de transmettre. La science ouvre vers les savoirs, la technologie les charpente. La science est une exploration fascinante à la recherche des fonctionnements intimes de la nature, du vivant, de la matière. La technologie est la pensée qui structure, qui donne corps aux découvertes. Les deux sont liées et s’enrichissent d’une curiosité réciproque qui repose sur le dialogue. Ainsi, il est essentiel de trouver les mots simples et pertinents pour échanger sur des phénomènes complexes. Cet exercice pédagogique aide à comprendre et aussi à transmettre, à expliquer à l’humanité que face à la complexité du monde, la science et la technologie sont les piliers du progrès qui ouvrent des voies vers un développement durable.

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• Publié par: delamontagne
• Publié le: 27 juin 2017
• Nombre de lectures: 3
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

CONCOURS GÉNÉRAL DES LYCÉES Session 

Sciences de Durée, 

l’ingénieur heures

Aucun document autorisé. Le matériel autorisé comprend toutes les calculatrices grammables alphanumériques ou à écran graphique, autonome et qu’il ne soit pas fait usage d’imprimante,  novembre 999.

Concours Général

de poche, y compris les calculatrices pro à condition que leur fonctionnement soit conformément à la circulaire n°99 du

POLAR POD Station océanographique internationale

« Au eà u ésir ’aeture tôutes es expéitiôs que j’ai ôra- isées ôt été çôstruites sur es êes bases : ue iterrôatiô sçietifique u éfi teçôôique et ue ôôté péaôique e ésir e trasettre. la sçieçe ôure ers es saôirs a teçô- ôie es çarpete. la sçieçe est ue expôratiô fasçiate à a reçerçe es fôçtiôeets ities e a ature u iat e a atière. la teçôôie est a pesée qui struçture qui ôe çôrps aux éçôuertes. les eux sôt iées et s’eriçisset ’ue çuriôsité réçiprôque qui repôse sur e iaôue. Aisi i est essetie e trôuer es ôts sipes et pertiets pôur éçaer sur es pé- ôèes çôpexes. cet exerçiçe péaôique aie à çôprere et aussi à trasettre à expiquer à ’uaité que façe à a çô- pexité u ôe a sçieçe et a teçôôie sôt es piiers u prôrès qui ôuret es ôies ers u éeôppeet urabe. »

Constitution du dossier – texte (mise en situation et questionnement), pages  à  ; – documents techniques DT à DT, pages  à  ; – documents réponses DR à DR, pages  à .

Conseils au candidat Vérifier que tous les documents définis cidessus sont présents. La phase d’appropriation d’un système pluritechnologique passe par la lecture attentive de l’ensemble du sujet. Il est fortement conseillé de consacrer au moins  minutes à cette phase indispensable de découverte.

Les documents réponses DR à DR sont à rendre agrafés avec la copie, même s’ils n’ont pas été complétés.

Session 

 / 

Sujet

Sujet

1

1.1

Introduction

Présentation du projet Polar Pod

Concours Général

Le projet Polar Pod est un projet porté par le docteur JeanLouis Étienne. Il s’agit d’une plateforme océanographique conçue pour dériver autour de l’Antarctique, poussée par le courant circumpolaire qui réunit les eaux de l’océan Atlantique, de l’océan Indien et de l’océan Pacifique. Acteur majeur du climat et de la circulation océanique mondiale, l’océan Austral est une immensité océanique encore méconnue. Le Polar Pod en est le futur observatoire permanent prévu pour accueillir sept personnes. L’expé dition Polar Pod est une aventure humaine doublée d’un défi technologique pour une exploration maritime jamais réalisée. Il s’agit d’une mission scientifique internationale à haute valeur envi ronnementale, tant par ses objectifs que par les moyens mis en œuvre pour sa réalisation. Ce nouvel observatoire est plébiscité par la communauté scientifique internationale comme étant un navire océanographique du futur, en phase avec l’évolution économique et les progrès tech nologiques de la recherche océanique. Grâce à son profond pied dans l’eau ( m), il peut assurer une présence dans les cinquantièmes hurlants  mois par an, alors que les navires de recherche ne viennent dans cette région que quelques semaines en été. Il s’agit d’une expédition écolo gique, avec un impact très limité sur l’environnement. Sans motorisation, le Polar Pod sera poussé par le courant. On peut parler de zéro émission en exploitation grâce à une bonne isolation ther mique et aux énergies renouvelables.

1.2 Conception du Polar Pod Ce sujet s’appuie sur la démarche de conception du Polar Pod menée par Laurent Mermier, ingé nieur et directeur de la société ShipST basée à Lorient.

Le Polar Pod devra : – permettre d’assurer les missions scientifiques liées au projet ; – permettre la vie à bord de  personnes, de manière totalement autonome et sécurisée, pendant  mois minimum ; – être autonome énergétiquement pendant  an tout en minimisant l’impact environnemen tal ; – assurer une très bonne stabilité en mer agitée ; – être transportable du lieu de fabrication à l’océan ; – assurer le stocKage et la transmission des informations scientifiques collectées ; – résister aux conditions extrêmes rencontrées dans l’océan Austral.

La construction du Polar Pod étant actuellement en cours, les essais dans ce sujet ont été effectués en bassin à partir d’une maquette à centre de culture scientifique Océanopolis situé à Brest.

Session 

 / 

et les mesures échelle réduite

présentés visible au

Sujet

2

Enjeux de l’expédition

Concours Général

L’objectif est de comprendre les enjeux de l’expédition en ce qui concerne les don nées scientifiques collectées ainsi que la durée et les conditions particulières dans lesquelles elle a lieu.

Q1.À ’aie es ôçuets teçiques dT1 et dT2expliquere 8 ies au axiu e rÔe es çôurats aris sur e çiat e a Terre.

Le CO 2 peut apparaître sous différentes formes (solide, liquide, gazeuse...). Dans les régions polaires, la moyenne annuelle de température de l’océan varie très peu en fonction de la profon deur. Dans l’océan Austral, cette température se situe autour de °C. On rappelle que lorsque la profondeur augmente de  mètres, la pression augmente de  bar.

Q2.À ’aie es ôçuets teçiques dT3 et dT4donneres fôres pysiques sôus es- quees ô peut trôuer u CO 2 as çet ôçéa e fôçtiô e a prôfôeur es eaux. Expliquer’ôù iet ’expressiô « puits e CO 2 » et ’ipôrtaçe e ’ôçéa Atarçtique austra is-à-is e ’équiibre çarbôe e a paète.

◦ 60

N

équateur

S

◦ latitude 60 N

◦ 30

◦ 45

◦ latitude 30 N

◦ latitude 45 S

Figure 1– latitues sur Terre

Figure 2– vôies ôtées sur a açee supérieure

◦ Le Polar Pod va évoluer à environ 50 de latitude sud, dans une zone très ventée (cf. figure ). e e On parle des 40 hurlants et des 50 rugissants.

Q3.Calculerpôur ue atitue ôyee e 50°su a istaçe D (e k) parçôurue par e çôurat çirçupôaire pôur faire u tôur çôpet e a Terre e faisat ’ypôtèse que a Terre est ue spère e rayô6 370kiôètres. Saçat que a itesse ôyee e çe −1 çôurat est e 1 œu sôit1,852 km∙hcalculere tepsT c (e jôurs) qu’i et pôur faire e tôur u çôtiet Atarçtique.

La durée prévue pour l’expédition est d’un an. Le Polar Pod dispose d’un ensemble de voiles qui lui permettent de s’orienter par rapport au vent et de se déplacer plus rapidement que la vitesse des courants marins (cf. figure ).

Q4.Expliquer’itérêt e çe çôix e ôat eux aruets.Calculera itesse ôyee −1 réee u Pôar Pô ôtéeV p (ekm∙h) et edéduirea itesse reatie ôyeeV  (e −1 km∙h) u Pôar Pô par rappôrt aux çôurats aris.

Session 

 / 

Sujet

ÇôçôurSGénéral

Q5.Conclure à partir es répôses aux questiôs Q1 à Q4 et es ifférets ôçuets teç- iques à ispôsitiô sur ’itérêt u Pôar Pô e rappeat es ifférets ejeux e ’expé- itiô.

3

Choix de la structure de navigation

 L’objectif est de mettre en évidence la nécessité d’une structure de type SPAR pour assurer une très bonne stabilité en mer.

Les navires d’expédition classiques sont très assujettis à la houle et rendent les mesures dans les profondeurs marines trop bruitées. Une structure de type SPAR est une structure très peu soumise à l’influence de la houle de par son architecture. Le document technique DT présente la structure SPAR retenue pour le Polar Pod.Elle est glo balement constituée de 3 grandes parties : une nacelle à sa partie supérieure (lieu de vie de l’équipage), un flotteur central rempli d’air et un caisson à sa partie inférieure. L’ensemble est relié par une structure de type treillis. Le caisson inférieur est composé d’un lest et de deux ballasts repérés B4 et B5. Un lest est un corps lourd destiné à déplacer le centre de masse d’une structure. Un ballast est un réservoir de grande contenance destiné à être rempli ou vidangé d’eau de mer afin d’optimiser la navigation d’un navire ou le manœuvrer. Deux autres ballasts sont également présents : dans le flotteur (repéré B23) et dans la nacelle (repéré B1).

3.1 Étude de la stabilité par mer calme Le document technique DT6 précise le principe d’une carène d’un navire et rappelle la notion de poussée d’Archimède. On se place dans une situation de mer calme où l’engin (le Polar Pod) est à l’équilibre et on note : –V 0 , le volume d’eau déplacé par la carène du Polar Pod dans sa position verticale de fonc tionnement ; –M=1 614,79 tonnes, la masse totale de l’engin comprenant l’eau dans les ballasts ; −3 –ρ e =kg1 035 ∙m, la masse volumique de l’eau salée, supposée constante quelle que soit la profondeur pour simplifier les calculs ; –G;, le centre de masse global de l’engin –C, le centre de carène de l’engin ; −2 –g=9,81 m∙s, l’accélération de la pesanteur.

Q6.Calculera ôre e ’açtiô éçaique (ekN) qu’exerçe a pesateur sur ’ei ôtée ~ ~ kF pes→engn ket a ôre e ’açtiô éçaique qu’exerçe ’eau sur ’ei ôtéekF e→engn k (a pôussée ’Arçièe) s’appiquat ôbaeet sur a struçture puiscalculere ôue 3 ’eauV 0 (em) épaçé par a çarèe e ’ei as sa pôsitiô ’équiibre stabe erti- çae (fôçtiôeet ôra). Pour la question suivante, on suppose la masseMet le volumeV 0 constants pour chaque situa tion.

Q7.Représenter sur e ôçuet répôse dR1 es açtiôs éçaiques e pesateur (e ôir) et ’Arçièe (e beu) appiquées as es quatre situatiôs prôpôsées (éçee e repré- 7 setatiô :1 cm=10 N).Identifiera situatiô ’équiibre stabe et a situatiô ’équiibre istabe.Expliquerçôet pôsitiôer es pôitsCetGpôur assurer e axiu e sta- biité e ’ei.

Le lest ajouté au niveau du caisson bas est de58,5 tonnes. En architecture navale, le matériau classiquement utilisé pour réaliser un lest est le béton. En effet, avec une masse volumique de

1. acronyme de "Single Point Anchor Reservoir" : il s’agit d’un type de plateforme pétrolière.

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Sujet

−3 3 2 200 kg∙m, il faut un volume de26,6 mpour réaliser ce lest.

ÇôçôurSGénéral

−3 On envisage la réalisation de ce lest en acier (ρ cer =7 800 kg∙m). La fabrication d’un lest de 3 58,5 tonnesen acier conduit à un volume de7,5 m. Pour comparer ces deux matériaux, on se placera dans le cas où le centre de masse de l’engin est exactement à la même position.

Q8.Expliquer’iflueçe u çôix e atériau sur a pôsitiô e sô çetre e çarèe.Discu terpus partiçuièreet e çe çôix ’u pôit e ue stabiité e er e a struçture. 3.2 Étude de la stabilité par mer agitée Plusieurs simulations numériques ont permis d’appréhender le comportement dynamique du Po lar Pod soumis à la houle. Dans le cadre de cette étude, nous nous limitons à l’analyse du mouve ment de pilonnement de l’engin, c’estàdire le mouvement de translation alternatif du Polar Pod suivant un axe vertical.

La houle peut être modélisée par une fonction sinusoïdale, caractérisée par plusieurs critères : – la hauteur ou l’amplitude, distance comprise entre le sommet de la vague et le niveau moyen de la mer (en mètre) ; – la longueur d’onde, distance entre deux crêtes ou deux creux consécutifs (en mètre) ; – la période, temps écoulé entre le passage de deux crêtes consécutives au même point (en seconde) ; – la fréquence, nombre de trains de houle passant en un point fixe en une seconde (en hertz). La période de houle dans l’océan Austral varie entre 4 et 25 secondes. Les mouvements de l’eau dont les périodes sont situées entre 1 et 4 secondes (le clapot) sont de très faibles amplitudes et n’ont donc qu’un impact très limité sur le Polar Pod.

0

10

20

30

40 dB (en décibel) H

50

60

70 0

5

10 15 20 Période de la houle (en seconde)

25

30

Figure 3– Attéuatiô u ôueet e piôeet u Pôar Pô e fôçtiô e a ôue

La figure 3 présente les résultats des simulations de l’amplitude du pilonnement de l’engin en fonction de la période de la houle. En ordonnée est représenté le gain en décibels du rap

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Sujet

ÇôçôurSGénéral

port (notéH) entre l’amplitude du déplacement vertical du Polar Pod (en mètre) et la hauteur crête à creux des vagues (en mètre). L’équation 1 (il s’agit du logarithme décimal) donne la relation entre ce rapport notéHet sa valeur exprimée en décibel (dB) notéeH dB .

H dB =20 log(H)

(1)

95 % du temps, les houles ont des hauteurs de vagues allant de 2 à 7 mètres et des périodes allant de 8 à 13 secondes.

Q9.% u tepsE se paÇat as a çôfiuratiô a pus éfaôrabe qui suriet 95 calculer ’apitue u ôueet e piôeet u Pôar Pô.

Q10.Comparerçe résutat aeç çeui que ’ô ôbtierait pôur u aire ’expéitiô çassique puisconcluresur ’utiité ’utiiser ue struçture e type SPAR.

4

Conception de la

structure du Polar Pod

L’objectif est de valider la faisabilité technique de la structure du Polar Pod et de dimensionner la structure centrale.

La partie précédente a permis de mettre en évidence la nécessité d’utiliser une structure de type SPAR, pour assurer une très bonne stabilité en mer. Dans cette partie, quelques aspects de la conception de la structure du Polar Pod seront abordés. La station océanographique est déplacée par un bateau d’expédition en position horizontale du port vers le lieu de départ de l’expédition, ce qui soulève plusieurs questions : – comment passer de la position horizontale à la position verticale ? – quelle structure de poutre centrale est la mieux adaptée pour assembler la nacelle supé rieure, le flotteur central et le caisson bas ? – quelle est l’influence de la géométrie de la poutre centrale sur la stabilité en mer ?

4.1

Manœuvrabilité en mer

Le passage de la position verticale à la position horizontale (et inversement) est une manœuvre délicate. Cette manœuvre est rendue possible grâce aux différents ballasts présents sur l’engin. La figure 4 décrit le remplissage des ballasts permettant de passer de la position de flottaison verticale à une position horizontale.

0 1 2 2' 2'' 2''' 3 4

Etapes

Position verticale Abaissement Préparation basculement Situation avant basculement Situation intermédiaire

Fin basculement

Mise en flottaison du caisson de pied

Allègement – pos horizontale

Nacelle

B1 0% 0% 50% 78% 92% 100% 100% 0%

Configuration des ballasts Flotteurs Caisson bas centraux B2-3 B4 B5 (grand) 3,4% 97,5% 97,5% 100% 97,5% 97,5% 100% 50% 97,5% 100% 22% 97,5% 100% 897,5% 100% 0% 97,5% 100% 0% 0% 0% 0% 0%

Figure 4– desçriptiô tepôree u repissae es baasts

22 La surface de flottaison moyenne vautS tres =2,939 mlorsque le niveau de la mer est situé 2 au niveau du treillis et vautS ncee =29,08 m(valeur moyenne supposée constante) lorsque 2. définie dans le document technique DT6.

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ÇôçôurSGénéral

le niveau de la mer atteint le bas de la nacelle supérieure. On se reportera au document tech nique DT5 pour connaitre la position du Polar Pod vis à vis de la mer en position verticale, c’està dire à l’étape 0. On rappelle que la masse totale de l’engin estM=1 614,79 tonnes(cette valeur prend en compte la masse d’eau comprise dans les ballasts telle que définie à l’étape 0 de la fi −3 gure 4) et que la masse volumique de l’eau salée estρ e =1 035 kg∙m(supposée constante).

La première étape (abaissement) consiste à remplir complètement le ballast central B23 avec de l’eau de mer. On passe alors de3,4 %à100 %de taux de remplissage. Le volume total de ce 3 ballast, notéV B23 , vaut149 m.

Q11.Exprimere ôueau ôue e çarèe ôtéV 1  suite au repissae u baast B2-3 (à a fi e ’étape 1) e fôçtiô eV 0 (e ôue e çarèe à ’étape 0 e pôsitiô ertiçae te que çaçué pae 4) et eV B23 e teat çôpte es pôurçetaes e repissae. Calculersa aeur uérique. On rappelle que la figure du document technique DT5 montre le Polar Pod dans sa position verti cale normale d’utilisation (étape 0 du basculement).

Q12.Exprimerpuiscalculer’efôçeet tôta (em) ôtéz 1  u Pôar Pô suiat sô axe ertiça à a fi e ’étape 1. I est çôseié e érifier a çôéreçe e a aeur uérique çaçuée à partir e a fiure u ôçuet teçique dT5 çar a açee supérieure ôit tôujôurs rester ôrs e ’eau. Le document technique DT7 montre plusieurs figures correspondant à différentes positions du Polar Pod.

Q13.Complétere ôçuet répôse dR2 aeç e uérô e a fiure çôrrespôat à a pô- sitiô atteite à a fi e ’étape çôrrespôate (çf. fiure 4).Expliquerçôet a été çôisie a pôsitiô u baast B2-3 et a raisô pôur aquee i y a eux baasts ifférets (B4 etB5) as e çaissô iférieur.

4.2 Dimensionnement de la poutre centrale de la structure La poutre centrale constitue véritablement le squelette de la structure du Polar Pod puisqu’elle maintient ensemble la nacelle supérieure, le flotteur central et le caisson bas. Deux pistes sont envisagées pour sa fabrication : une poutre pleine, de section circulaire constante (en acier) et 3 une structure de type treillis (en acier). Il faut se placer dans la situation la plus contraignante pour dimensionner cette poutre centrale. Cette situation survient lorsque le Polar Pod est en position horizontale et que la houle soulève le Polar Pod par ses extrémités (par le caisson bas et par la nacelle supérieure).

4.2.1 Dimensionnement de la poutre de section circulaire Afin de dimensionner la poutre centrale de section circulaire pleine et constante, on adopte le modèle de poutre défini dans le document technique DT8. La poutre[AC]est en appui simple enAet enC, que l’on modélise ici par des liaisons sphèreplan de contactA(respectivementC) et de normaley ~ . L’action mécanique représentant le poids du flotteur central est modélisée par un glisseur qui s’applique localement au pointB. On suppose pour simplifier le calcul que celuici se situe au milieu de la poutre. Par ailleurs, l’action mécanique de la pesanteur sur la poutre est modélisée par une action mécanique répartie.

La contrainte normale dans une section droite en un pointMquelconque, de coordonnées carté siennes(,y,z)dans le repère(A, ~ , ~ y, ~ z)du document technique DT8, appartenant à la poutre se calcule grâce à la relation 2. M ƒ z () σ(,y,z) =y(2)  Gz 3. voir document technique DT5

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Sujet

ÇôçôurSGénéral

La relation 3 permet de calculer le moment quadratique ( Gz ) d’une poutre pleine de section circulaire et de diamètreDconstant. 4 πD  Gz =(3) 64 La valeur du moment fléchissantM ƒ z ()est présentée dans le document technique DT8 tout le long de la poutre.

Q14.Rappelere type e sôiçitatiô à aquee est sôuise a pôutre aisi que a ature es çôtraites as ue seçtiô rôite.Expliquerôù se situe a seçtiô rôite a pus sôiçitée (ç’est-à-ire a seçtiô rôite sôuise au ôet fléçissat e pus ra e aeur absô- ue).Donnera aeur e ’ôrôée|y|’u pôit (xyZ) ôù a çôtraite|σ(,y,z)|est axiae.Exprimera çôtraite ôrae axiaeσ m =mx(|σ(,y,z)|)e fôçtiô e d e iaètre e a pôutre et es paraètres çôus. Le choix de matériau s’oriente sur un acier à haute limite élastiqueS420. Sa limite élastiqueR e vaut420 MP. L’inéquation 4 rappelle la condition de résistance de la poutre,sétant un coef ficient de sécurité. Le document technique DT8 fournit une courbe de la contrainte maximale calculée en fonction du diamètre de la poutre.

R e σ m < s

(4)

Q15.Donnera aeur uérique u iaètre iiaD mn e a pôutre e preat u çôeffi- çiet e séçurité e 2.

4.2.2 Dimensionnement du treillis Le même matériau (acierS420) est envisagé pour la réalisation du treillis. Un logiciel de calcul numérique des structures a permis de réaliser les calculs de contraintes et de déformations de cette structure à partir d’un modèle de liaison et de chargement similaire à celui présenté dans la partie précédente. Avec la géométrie retenue, la section droite la plus sollicitée est soumise à une contrainte de134,8 MP. La déformée globale est présentée sur la figure 5.

Q16.Concluresur e iesiôeet e a struçture e type treiis.

Figure 5– défôrée u treiis

4.3 Influence de la géométrie de la poutre centrale sur la stabilité par mer agitée 4 La figure 6 présente l’amplitude du pilonnement pour les deux types de poutre.

Q17.Au rear es étues eées as çette partiejustifiere type e struçture çetrae à reteir pôur a réaisatiô u Pôar Pô.

4. défini page 6.

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5

0

10

20

30

40 dB (en décibel) H 50

60

70 0

5

Poutre de type treillis Poutre de section circulaire

10 15 20 Période de la houle (en seconde)

25

ÇôçôurSGénéral

30

Figure 6– Attéuatiô u piôeet u Pôar Pô e fôçtiô e a ôue et u type e pôutre.

Besoins énergétiques et gestion de l’énergie

L’objectif de cette partie est de déterminer les besoins énergétiques de la station océanographique Polar Pod et de valider les solutions retenues pour la production, la gestion et le stockage de l’énergie.

5.1 Besoins énergétiques pour le confort de l’équipage et la vie à bord Le document technique DT9 montre l’agencement de la nacelle et le document technique DT10 répertorie les principaux consommateurs de puissance.

Q18.Déterminer à ’aie u ôçuet teçique dT10 e pôste e çôsôatiô e puis- saçe e pus ipôrtat e çe qui çôçere es besôis e çôfôrt es ôççupats.Proposer ue sôutiô pôur iiter sô ipaçt sur a çôsôatiô éerétique. Les murs de la nacelle sont constitués de panneaux isolants VIP (Vacuum Insulated Panel) dans lesquels le vide a été réalisé puis recouvert de contreplaqué. On obtient ainsi de faibles conduc tivités thermiques avec des épaisseurs de mur faibles.

Q19.Expliquer’itérêt e çe çôix pôur a açee u Pôar Pô.Donneru içôéiet e çe type e prôuit. On désire une température intérieure de confort de 18°C et on suppose que la température ex térieure vaut 0°C. Les déperditionsD p (en W) sont données par la relation suivante :

D p = (U bt ∙S dep +R∙V h )∙(T conƒ ort −T eterere ) avec −2−1 – le coefficient de déperditionsU bt =0,2 W∙m∙K; 2 – la surface de déperditions (surface des parois en contact avec l’extérieur enm)S dep ; −3−1 – le coefficient de ventilationR=0,2 W∙m∙K; 3 – le volume habitableV h enm.

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Sujet

ÇôçôurSGénéral

Pour simplifier les calculs, on considérera que la nacelle est thermiquement équivalente à un cylindre de rayon3 met de hauteur9 m.

Q20.Calculeres éperitiôs as es çôitiôs ôées et escomparerà a puissaçe issipée par es raiateurs.Concluresur a sôutiô çôisie pôur iiter a çôsôatiô e çauffae.

5.2

Besoins énergétiques pour les équipements techniques et scienti fiques

Pour le fonctionnement du Polar Pod, notamment les manœuvres de l’engin, il faut pouvoir vider ou remplir les ballasts grâce à des pompes d’assèchement et à des compresseurs d’air. Ceci ne sera pas étudié dans cette partie. Pour prendre des mesures scienti fiques, certains appareils sont directement mis en place sur le Po 5 lar Pod. Hormis le LIDAR , leur consommation n’est pas excessive et ne sera pas étudiée.

De même, un propulseur de grosse puissance est installé pour des manœuvres d’urgence (évite ment d’iceberg) mais cet aspect sécurité, important lors de la conception du Polar Pod, ne sera pas étudié. D’autres appareils (petits sousmarins autonomes ou embarcations de type semirigide avec équipage à bord) doivent par contre être descendus ou montés régulièrement grâce au bossoir (ensemble support du treuil électrique).

Q21.Expliquer à ’aie es ôçuets teçiques dT10 et dT11 pôurquôi i a été éçié ’aieter e bôssôir es çôpresseurs et es pôpes ’assèçeet ireçteet par e rôupe éeçtrôèe. Le treuil électrique (entraîné par un moteur asynchrone triphasé) est alimenté via un variateur de vitesse intégré qui permet de contrôler la fréquence de rotation. L’arbre moteur est solidaire d’un réducteur qui entraîne un tambour sur lequel le câble est enroulé. On négligera la variation d’épaisseur du câble enroulé.

Les caractéristiques du palan sont les suivantes : – capacité de levage maximale,kg3 000 ; – rayon du tambour,176 mm; −1 – vitesse de levage réglable de2à16 m∙min; – puissance utile du moteur,7,5 kW; – 2 paires de pôles ; −1 – vitesse nominale du moteur,1440 tr∙min; – durée de vie du réducteur,h3 200 .

Q22.Complétera çaîe ’éerie sur e ôçuet répôse dR3 e faisat apparaître es trôis fôçtiôs aquates et es trôis fôres ’éerie aquates.

Q23.Déterminera puissaçe éçaiqueP m éçessaire pôur ôter ue ebarçatiô aeç six −1 ôes à bôr (asse tôtae e1 500 kg) pôur ue itesse e eae e16 m∙min. E déduirea puissaçe éeçtriqueP e absôrbée par e ôteur e suppôsat que e ôteur a u reeet e0,85et que a trasissiô a u reeet e0,7. Un modèle multiphysique représente la chaîne d’énergie étudiée (cf. figure 7).

5. Appareil de télémétrie laser.

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variateur de vitesse

Figure 7– ôèe utipysique

ÇôçôurSGénéral

Nmoteur (en tr/min)

Q24.Calculere rappôrt e réuçtiô à isérer as e ôèe utipysique u bôç « Réuç- −1 teur » pôur ôbteir a itesse e16 m∙mine ôtée e ’ebarçatiô saçat que e ôteur tôure aôrs quasiet à sa itesse ôiae N n .

−1 Q25.Calculera itesse e syçrôise u ôteur N s (etr∙min) pôur ue fréqueçe e çôae e50 Hz puiscompareres reeés e itesse auaire u ôteur ôbteus à a ôtée et à a esçete (ôir ôçuet teçique dT12) e expiquat es çôurbes ôbteues et es éçarts ôbserés.

Q26.À partir es çôurbes u çôupe éeçtrôaétique u ôteur (C em ) et e sa itesse (N moter ) déduiree ses u trasfert ’éerie etre e ôteur et sa çare as es eux ças (ô- tée et esçete).Proposeres sôutiôs as e ças e a esçete pôur érer ’éerie. La houle étant souvent importante, lors de la descente de l’embarcation, les vagues peuvent heurter violemment le fond du bateau et faire tomber ses occupants, la chaîne du palan pouvant alors brusquement se détendre ou se retendre. Pour éviter ce désagrément, un compensateur de houle est installé. C’est un dispositif pneumatique qui permet de compenser très rapidement la variation de hauteur par rapport au niveau de l’eau.

Q27.Expliquer à ’aie u ôçuet teçique dT12.3 pôurquôi e ôteur e peret pas e çôpeser seu ’effet e a ôue (ô suppôse es çôitiôs éfaôrabes sôit ue périôe e ôue e 13 s et es çreux e 7 ) et çôçure sur a sôutiô e eae çôisie.

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